Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Беговые дорожки и ‘тела качения подшипников шарошечных долот в той или иной степени подвергаются усталостному, абра­зивному и коррозионному износу. В зависимости от осевой на­грузки на долото, скорости вращения долота, содержания абра­зивной фазы в промывочной жидкости и коррозионной активно­сти последней преобладающим может быть один из перечисленных видов износа. Различные условия работы отдельных элементов опор или их участков приводят к тому, что даже в одном долоте возможны отличия в преобладании того или иного вида износа.

Усталостное контактное разрушение проявляется после опре­деленного числа циклов нагружений, когда на рабочих поверх­ностях возникают усталостные трещины, приводящие к хрупкому разрушению металла. Разрушение рабочих поверхностей заклю­чается в появлении язвин (оспин) или отслаивании (шелушении) кусочков металла (рис. 19). Усталостному износу чаще всего под­вергаются беговые дорожки цапф со стороны, обращенной к за­бою, т. е. в зоне нагружения. Усталостное разрушение беговых дорожек шарошек и тел качения встречается реже.

Наибольшее число циклов нагружений испытывает беговая дорожка большого роликового подшипника, а затем малого роли­кового и шарикового подшипников. Тела качения и беговые до­рожки шарошек подвергаются в 2—3 раза меньшему числу цик­лов нагружений. Беговая дорожка цапфы малого роликого под­шипника имеет меньшее число циклов нагружений по сравнению с беговой дорожкой большого подшипника, и поэтому при опре­деленных условиях преобладающим может быть не усталостный износ, а абразивный (рис. 20). Беговая дорожка замкового подшипника, хотя у нее меньшее число циклов нагружений по сравнению с дорожкой большого роликового подшипника, имеет тот же вид износа. Это объясняется тем, что, помимо напряже­ний от действия радиальной нагрузки, она подвергается еще на­пряжениям, вызываемым динамической составляющей осевой на­грузки на долото.

Отличие в виде износа беговых дорожек трех подшипников определяется не только различным числом циклов нагружений, но и величиной возникающих контактных напряжений, которые зависят от распределения нагрузки между этими подшипниками.

В свою очередь, указанное распределение нагрузки зависит от соотношения посадочных и износных зазоров в них и характера износа вооружения, т. е. (для данной модели долота) от меха­нических и абразивных свойств разбуриваемых пород и качества наплавки зубьев различных венцов твердым сплавом.

Появление язвин приводит к повышению контактных давлений и при динамическом характере нагрузки к значительным выкра­шиваниям и сколам металла на беговых дорожках. Особенно

Рис. 20. Усталостное разрушение бе­говых дорожек большого роликового и замкового подшипников и абразив­ный износ малого роликового под­шипника.

Рис. 19. Усталостное раз­рушение беговых дорожек цапфы долота Б-243СГ со стороны забоя и абразив­ное — с противоположной

стороны.

сильным выкрашиваниям и сколам подвергается беговая дорожка замкового подшипника в наиболее нагруженном месте со стороны большого роликового подшипника. После выкрашивания цемен­тированного слоя менее твердый металл подвергается смятию и абразивному износу, начинается стадия катастрофического ава­рийного износа. Особенно сильно может подвергаться пластиче­ским деформациям беговая дорожка замкового подшипника; в отдельных случаях может образовываться как бы новая дорожка

(рис. 21).

Абразивный износ заключается в микрорезании и микроцара­пании рабочих поверхностей подшипников. При накатывании тел качения на абразивные частицы и раздавливании последних воз­можно в какой-то мере повреждение поверхностей от непосред­ственного внедрения частиц и их осколков. Абразивный износ ха­рактерен для всех условий бурения, так как во всех случаях в опору попадают абразивные частицы вместе с промывочной жидкостью. Однако преобладающим он является тогда, когда до­лото отрабатывается при небольших нагрузках. Рабочие поверх­
ности при этом виде износа почти гладкие, матового цвета. Во многих случаях при усталостном износе части цапф, обращенных к забою, противоположная сторона имеет абразивный износ.

Рис. 21. Цапфа долота 2К-214СГ после бурения в породах нижнего мела (С=16—18 тс и л = 90 об/мин).

На интенсивность абразивного износа влияет абразивность разбуриваемых пород, степень очистки забоя и промывочной жидкости от выбуренной по­роды.

Абразивный износ способ­ствует и предшествует уста­лостному, так как возникаю­щие царапины на рабочих по­верхностях являются концен­траторами напряжения. По мере износа цементированно­го слоя твердость беговых до­рожек уменьшается и интен­сивность абразивного износа возрастает. Язвины и сколы, образовавшиеся в процессе усталостного разрушения на рабочих поверхностях, в ка­кой-то мере слаживаются за счет абразивного износа.

Коррозионный износ во всех случаях в зависимости от актив­ности промывочной жидкости в той или иной мере увеличивает интенсивность как усталостного, так и абразивного износа.

Износ схватыванием (износ I рода) появляется в результате возникновения точечных связей трущихся металлических поверх­ностей под действием высоких удельных давлений и отсутствия смазывающего слоя; на рабочих поверхностях появляются гру­бые задиры и наплывы металла. Возможность появления схваты­вания и интенсивность износа схватыванием возрастают с увели­чением шероховатости трущихся поверхностей и наличия абра­зивных частиц в полости опор.

Износ схватыванием наиболее характерен для подширников скольжения в опорах долот малого диаметра. Он часто наблю­дается при трении торцов роликов о бурты цапф у долот всех размеров. В отдельных случаях в роликоподшипниках опор при определенном соотношении посадочных зазоров, недостаточно чи­стой обработке беговых дорожек и при работе без приработки сразу при большой нагрузке на долото происходит заклинивание в самом начале бурения в результате схватывания между роли­ками, вращающимися с проскальзыванием, и беговыми дорож­ками.

Тела качения находятся в промежуточном положении между цапфой и шарошкой с точки зрения условий для усталостного износа. Появляющиеся на них язвины часто завуалированы в результате абразивного износа. В отдельных случаях края роли­ков в результате перекоса образующих беговых дорожек скалы­
ваются; при дальнейшей работе острые грани при абразивном износе и ролики получают овальную форму по краям (рис. 22). Выколотые кусочки металла тел качения и беговых дорожек и буртов усиливают абразивный износ, часто образуют задиры па

Рис. 22. Форма износа роликов.

беговых дорожках, яв­ляются причиной раска­лывания тел качения и заклинивания шарошек.

Соотношение между износом беговых доро­жек цапф, шарошек и тел качения, а также со­отношение между изно­сом трех подшипников в шарошке и износом опор трех шарошек за­висит от конструкции опор и вооружения до­лота, т. е. от типа и мо­дели долота, качества изготовления и сборки, механических и абразивных свойств разбуриваемой породы и др. В табл. 3 при­ведены указанные соотношения для долот различных моделей, отработанных в нижнемеловых и юрских отложениях при турбин­ном и роторном бурении на площадях Восточного Ставрополья.

Таблица 3 Модель долота Количе­ ство наблю­ денных долот Относительный износ по диаметру всех подшипников шарошек Относительный износ опор до­лота по диаметру I ша­рошка II ша­рошка III ша­рошка больших роликовых подшипни­ ков малых ро­ликовых подшипни­ков шариковых (замковых) подшип­ ников У-243С……………………. 21 1.0 1,01 0,95 1,0 °. ,68 0,69 АСГ25-243С…. 5 1.0 1,п 1,17 1,0 1,00 0,81 Б-243СГ………………….. 9 1,0 1,07 0,7 1,0 о, 86 0,97 2К-214СГ……………….. 35 1,0 0,85 0,9 1,0 о, 43 0,72

Вид и характер износа вооружения определяются в основном механическими и абразивными свойствами разбуриваемых пород, характеристикой вооружения и параметрами режима бурения.

Выкрашивания и сколы зубьев происходят в результате уста­лости материала поверхностных слоев (рис. 23). Особо следует выделить выкрашивания и сколы зубьев, появляющиеся в перво­начальный момент времени работы долота при разбуривании по­род средней твердости, твердых и крепких. В этом случае причи­ной выкрашиваний и сколов могут являться: неравномерная на-
ллавка твердого сплава, неоднородная структура наплавленного — или цементированного слоя, недостаточно точное изготовление зубьев по высоте и по двугранному углу, чрезмерная нагрузка на долото в период приработки, несоответствие типа долота твердости разбуриваемых по­род и т. д.

Рис. 23. Выкрашивания и сколы зубьев у долота 2К-214СГ и износ их с притуплением (после 7,25 ч бу­рения в юрских отложениях в ин­тервале 3204—3235 м с G=19 тс и п=90 об/мин).

В табл. 4 приведены ре­зультаты обмера высоты зубь­ев различны^ венцов десяти новых долот У-243С.

Поломка зубьев у осно­вания происходит (чаще все­го в начальный период рабо­ты, когда зубья имеют наи­большую высоту) от пере­напряжений, возникающих в теле зубьев при взаимодейст­вии их с поверхностью забоя, имеющей впадины и гре­бешки.

Абразивный износ в той или иной степени характерен для всех случаев. Выкраши­вания и сколы, образовав­шиеся в период приработки

или. при дальнейшей работе, сглаживаются в резуль­тате абразивного износа. При разбуривании абразивных пород зубья венцов с недостаточным коэффициентом перекрытия изна­шиваются по длине. При значительном износе зубьев внутренних венцов по длине на забое образуются «воротники», что может привести к межвепечной сработке тела шарошки, а при дальней­шей работе — к кольцевому разрушению его. Профиль изношен­ных зубьев может быть либо клиновидным (рис. 24) (иногда лезвиеобразным), либо притупленным (см. рис. 23). Причем при­тупление может быть параллельно основанию зуба или под уг­лом. При разбуривании твердых и крепких сильно абразивных пород возможен износ вершин шарошек. Такие породы следует бурить штыревыми долотами.

Таблица 4

		I шарошка		II шарошка		III шарошка
Пределы отклонении			венц, ь			венцы			венцы
	1	2	3	1	2	3	4	1	2	3
Максимальная высота бьев, мм…………….	зу-	17,2	14,3	12,0	16,2	14,5	12,8	9,8	15,0	13,5	11,4
Минимальная высота бьев, мм…..	зу-	14,4	11,9	10,0	14,0	11,7	11,1	8,6	11,4	11,6	8,2

Неправильный выбор типа долота или высокая скорость их вращения при разбуривании твердых и абразивных пород могут привести к чрезмерному износу зубьев, когда шарошки стано­вятся совершенно «лысыми», но опора еще работоспособна. Пре­кращение вращения шарошек (чаще всего в результате за­клинивания их опор или при наматывании сальника) при­водит к полному износу зубь­ев шарошек.

Рис. 24. Клиновидный профиль из­носа зубьев периферийного венца.

Пластическая деформа­ция (смятие) зубьев чаше всего происходит в результа­те воздействия большой на­грузки на затупившиеся зубья, у которых после изно­са по высоте обнажена серд­цевина более мягкая, чем цементированная или армированная поверхность.

МЕТОДЫ ЗАМЕРА И КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ИЗНОСА ОПОР И ВООРУЖЕНИЯ ДОЛОТА

Установление с достаточной степенью точности и надежности величины износа опор и вооружения шарошечных долот (как при лабораторных, стендовых, так и при промысловых исследова­ниях), количественная, качественная и сравнительная оценка износа в значительной степени зависят от правильного выбора метода измерения изнашиваемых элементов и критериев оценки износа. Из общепринятых методов [58, 101] оценки износа дета­лей машин, а именно: 1) по изменению служебных свойств дета­лей; 2) по величине суммарного линейного износа; 3) по весу изношенного материала; 4) по обогащенности смазки продукта­ми износа; 5) по изменению микропрофиля поверхности; 6) по величине местного износа, определяемого методами отпечатков и вырезанных лунок, — из-за специфичных условий работы и износа долот для оценки износа опор и вооружения используются только первые три метода.

Служебные свойства вооружения долота в процессе его рабо­ты оцениваются величиной vt, а служебные свойства опор — ве­личиной Мл. Однако, так как довольно трудно устанавливать ко­личественную зависимость между величиной износа вооружения (или опор) и величиной vt (или Мд) для множества сочетаний долото — забой — режим бурения, применение первого метода _ для целей бурения весьма проблематично. Этот метод полезен для приближенной оценки состояния вооружения и опор долота в процессе рейса долота для решения вопроса о своевременной замене изношенного долота.

При исследованиях износа опор и вооружения в лаборатор­ных и промысловых условиях, а также при оценке износа долот в промысловых условиях с целью установления оптимальной G или при выборе наиболее эффективной модели долота в настоя­щее время в большинстве случаев применяют второй метод. Пре­имущество этого метода — его простота и, следовательно, воз­можность широкого использования в практике буровых работ. Наиболее точно абсолютный износ опор и характер износа мож­но установить после вскрытия шарошек (или разборки) путем замера тел качения и беговых дорожек цапф и шарошек.

Так как беговые дорожки цапф изнашиваются неравномерно и во многих случаях опоры выходят из строя в результате разво­рота роликов, возможность которого в первую очередь опреде­ляется величиной максимального люфта, то оценку степени абсо­лютного износа следует производить по величине максимального износа (люфта) опор. Изношенные элементы цапф и тел качения можно замерять с помощью штангенциркуля с точностью 0,05 мм, беговых дорожек роликоподшипников у шарошек — стан­дартными индикаторами — нутромерами, а замкового подшипни­ка— специальным нутромером [36]. При разборке шарошек, ког­да вынимается палец замкового подшипника, диаметр беговой дорожки цапфы этого подшипника замеряется с помощью спе­циальной скобы [36]. .

Разборка долот трудоемка, и часто отсутствуют условия и время для ее осуществления. В этих случаях оценку износа рпор можно производить по величинам радиального и осевого люфтов шарошек, замеряемых с помощью специального прибо­ра— люфтомера (рис. 25). Этот метод менее точен, но дает до­статочно надежные результаты. Радиальные и осевые люфты за­меряются индикаторами часового типа «КИ» с точностью до 0,01 мм, устацавливаекыми в держателях, перемещающихся в направляющих параллельно осям цапф шарошек. Прибор рассчи­тан на замер люфтов у долот диаметром 214, 243 и 269 мм. До­лото устанавливается на сменную втулку 2 плиты 1 и зажимается винтом 3 с плашкой. *

Люфтомер, имеющий аналогичную схему, был неоднократно испытан при проведении промысловых исследований сотрудника­ми Грозненского нефтяного института. При установке датчика индикатора замера радиального люфта на нуль, . соответствую­щий номинальному диаметру долота, прибором можно замерить износ долота по диаметру. При работе с обычным индикатором, особенно когда производится большое число замеров, отметка минимального и максимального отклонений стрелки требует боль­шого внимания и является утомительной операцией. Для облег­чения и ускорения процесса замера люфтов можно на люфтомер установить индикаторы с электрическим выходом и подсоединить их к электронному мосту типа ЭМП209М2, который будет фикси­ровать указанные минимальные и максимальные отклонения стрелки на диаграмме.

Состояние больших роликовых подшипников шарошек во мно­гих случаях определяет долговечность опор долота, потому оценку износа опор с какой-то степенью точности можно произ­водить по величине радиального люфта этих подшипников.

Рис. 25. Люфтомер конструкции Грозненского нефтяного >- института. 1 — установочная плита; 2 — сменная втулка для долот различ­ного диаметра; 3 — зажимной винт с сухарем; 4 — стойка; 5 — по­воротные бобышки; 6 — подвижная измерительная головка с ин­дикатором часового типа К. И-1 для замера осевого люфта; 7 — подвижная измерительная головка с индикатором часового типа КИ-1 для замера радиального люфта.

В том случае, когда износ у всех трех подшипников шарошки (у большого роликового 8i, малого роликового б3 и у шарикового — бг) одинаков, устанавливать датчик люфтомера для замера ра­диального люфта можно в любой точке образующей поверхности шарошки без ошибки в измерении. В случае же, когда 81>6з, только часть радиального люфта бь равная 83, будет — выбрана при. перемещении шарошки перпендикулярно оси цапфы. Осталь­ная часть, равная разности 61—83, будет выбираться за счет вращения шарошки вокруг точки В (рис. 26). Ошибка измерения будет равна нулю при установке датчика люфтомера против точ­ки D и будет возрастать с удалением от этой точки. Произведен­ные подсчеты для долота 2К-214СГ показывает, что при б^бз ошибка измерения при установке датчика над точкой С может достигать 36%. Аналогичная картина будет при б]>бг и бз>бгг т. е. когда вращение шарошки будет происходить относительно точки Е. Когда 61 >-62 и б3>бг, при установке датчика против

точки С ошибка может достигнуть 58%. Однако, если учесть, что практически б2~бь максимально возможная ошибка замера радиального люфта большого роликового подшипника при уста­новке датчика против точки С составит «20%-. При установке датчика в середине между точками С и D максимально возмож­ная ошибка измерения не превышает 10%.

Для замера люффа ма­лого роликового подшипни­ка датчик следует устанав­ливать против точки В.

Установка датчика против точки А может вызвать ошибку измерения, макси­мальное значение которой при 61 достигает 47%.

При установке датчика в середине между точками А и В ошибка уменьшится до 23%. Однако в практи­ке износа долот случаев, когда 6i^>63, не наблюда­ется. Если же взять слу­чай, когда S3»0,45i, то максимальная ошибка из­мерения не превысит 12%.

В случае 6i<<63 наибо­лее точные замеры дает установка датчиков против ТОЧКИ С В большом ролико — Рис. 26. Схема расположения датчиков при BOM подшипнике и против замере радиальных люфтов шарошек, точки’ А в малом ролико­вом подшипнике. При установке датчиков в середине подшипни­ков ошибка будет возрастать, но во всех случаях она будет’ меньше, чем для случая, когда’ 6i>63, так как всегда 63 только незначительно превышает бь

В практике замеров трудно предварительно быстро оценить соотношение между величинами 61, б3 и 62 и, следовательно, пра­вильно выбрать место для установки датчика. Поэтому рекомен­дуется устанавливать датчики в середине подшипников, считая допустимой максимально возможную ошибку измерения в 10— 12%. Если же требуется большая точность, то следует предва­рительно выявить характер соотношения между б] и б3 и уста­навливать датчик радиального люфта против точек D и В при 6i>63 и против точек С и А при б3>бь

Износ зубьев оценивают по уменьшению высоты, замеряя ее с помощью обычного штангенциркуля (глубиномера) с укреплен­ной на торце планкой. Этот метод дает достаточно точные ре­
зультаты, когда износ зубьев по объему происходит пропорцио­нально износу по высоте. Зубья могут изнашиваться по высоте весьма незначительно, но иметь сильный износ по поперечному направлению (износ с заточкой зубца) или неравномерный износ •по длине зубца. Не только при абразивном, но и при усталостном износе выкрашивания и сколы металла часто происходят на бо­ковых гранях (не уменьшая значительно высоты зубца) или не­равномерно по длине зубца. В этих случая* (а они наблюдаются в той или иной степени весьма часто) оценка величины износа по потере высоты зубца дает приближенное представление о фактическом износе. А между тем, несмотря на небольшой износ зубьев по высоте, служебные качества вооружения долот во мно­гих подобных случаях значительно ухудшаются.

Для более точной оценки износа вооружения следует рекомен­довать третий метод, т. е. метод взвешивания изнашиваемых де­талей, но в несколько измененном виде. Учитывая значительный вес долота и различный удельный вес изнашиваемого материала зубьев, состоящего из стали и твердого сплава, оценивать износ следует не по весу, а по объему изношенного материала путем снятия оттисков с зубьев с помощью термопластической мас­сы [26]. Оценка износа вооружения долот путем замера объема изношенного материала зубьев методом оттисков позволяет с до­статочной степенью точности! оценивать абсолютный износ зубьев при всех видах и формах износа в промысловых и лабораторных условиях. ‘ ,

В некоторых случаях, когда зубья не изнашиваются по длине, износ профиля может быть оценен с помощью мягкой проволо­ки [46]. Разница между профилями проволоки, снятыми с неизно­шенных и изношенных зубьев, и будет представлять износ зубцев в поперечном сечении. ,

Для некоторых целей могут быть использованы данные об из­носе опор и вооружения долот, регистрируемые буровыми брига­дами с помощью кода. При достаточной квалификации буриль­щиков оценка износа долот по коду дает довольно надежные ре­зультаты.

В зависимости от цели проводимых исследований для оценки абсолютного износа опор или вооружения долот можно пользо­ваться тем или иным методом или их комбинациями, применяя выборочно более точный метод для проверки менее точного, и надежного.

При лабораторных и стендовых исследованиях влияния того или иного фактора на износ (или износостойкость) сравниваемые опоры и вооружение шарошек (или их элементы) можно под­вергать изнашиванию в течение одинакового времени или одина­кового числа циклов нагружения. В этом случае оценку степени износа (или износостойкости) сравниваемых опор и вооружения (или их элементов) можно производить путем сравнения полу­ченных средних значений абсолютного износа (линейного, весо­вого или объемного). При промысловых исследованиях, когда до­лота отрабатываются на забое различное время, величина абсо­лютного износа опор или вооружения не дает полного представ­ления о работоспособности или износостойкости узлов долота. Поэтому для этой цели следует использовать понятия скорости изнашивания и интенсивности изнашивания [26].

Скорость изнашивания — отношение абсолютного износа об­разца (или детали) при испытании на изнашивание ко времени, в течение которого происходит испытание. Интенсивность изна­шивания— отношение абсолютного износа образца (или детали) при испытании на изнашивание к пройденному пути трения.

Скорость и интенсивность изнашивания дают оценку только износа узлов породоразрушающего инструмента без оценки его способности разрушать горную породу. Для совместной оценки износа опор и вооружения и способности долота разрушать гор­ную породу (что особенно важно при промысловых испытаниях опытных долот или при исследованиях, проводимых для выбора наивыгоднейших параметров режима бурения и наиболее рацио­нальной модели долота при разбуривании данного горизонта) следует использовать понятие относительного износа. Относи­тельный износ — отношение величины абсолютного износа (ли­нейного, объемного или весового) опор или вооружения к объему выбуренной породы или пропорциональной ему проходке на до­лото.

Вместе с количественной оценкой износа деталей и узлов срав­ниваемых долот должна быть произведена оценка характера и вида износа.

Комментарии запрещены.